CuAlO2薄膜光电性能调控及氮掺杂效率研究

Since CuAlO2 has a wide band gap and high exciton binging energy(47 meV), it has been considered as a promising materials in the blue light-emitting diodes (LEDs). The p-type CuAlO2 thin films have high resistivity and low hole concentration which hinder its applications in optoelectronic devices. In this work, nitrogen (N) will be used as acceptor dopant for obtaining p-type CuAlO2 thin films with high hole concentration and low resistivity. Since the formation energies of N in CuAlO2 is positive, so the doping process must far from thermodynamic equilibrium state. Meanwhile, annealing should carried out in order to activate N acceptor. For annealing process always under thermodynamic equilibrium state, so it will face a problem of escaping of N form films. In this project, the N-doped CuAlO2 films will be annealed in annealing atmosphere with high pressure in order to suppress escaping of N and activate N acceptor. Effective doping efficiency of the N in the annealed CuAlO2 films will be enhanced. Effects of annealing atmosphere pressure on the chemical state, level of N in the CuAlO2, and on the optical and electrical properties of N-doped CuAlO2 films will be studied for obtaining the p-type CuAlO2 films with high hole concentration and low resistivity.The present research results will be helpful to obtain blue light-emitting diodes based on CuAlO2 films.

CuAlO2作为宽带隙半导体材料其激子束缚能高达47 meV，在蓝光发射器件领域有着广泛的应用前景，但因其p型薄膜空穴浓度低、电阻率高，严重制约其在蓝光发射器件方面的应用。本项目将利用氮（N）作为受主掺杂元素制备高空穴浓度、低电阻率的p型CuAlO2薄膜。在N掺杂过程中由于N受主形成能为正，因此掺杂过程需在非平衡态下进行；同时，要激活N受主需对薄膜进行后热处理。由于目前采用的热处理过程是在平衡态下进行，这将面临N从薄膜中逃逸的问题，降低了N的有效掺杂效率。针对这一问题，本研究将采用高的气氛压强对原位生长的薄膜进行后热处理来抑制N的逃逸同时激活N受主，提高N的有效掺杂效率。研究后热处理气氛压强对N在CuAlO2中的掺杂形态的影响规律和机制以及对薄膜光电性能的影响规律和机制，以此获得高空穴浓度、低电阻率的p型CuAlO2薄膜。通过该研究将为实现CuAlO2基蓝光发光二极管打下坚实基础。

CuAlO2作为宽带隙半导体材料其激子束缚能高达47 meV，在蓝光发射器件领域有着广泛的应用前景，但因其p型空穴浓度低、电阻率高，严重制约其在蓝光发射器件方面的应用。本项目研究了氮作为受主掺杂元素对CuAlO2光电特性的影响。要激活N受主需对材料进行后热处理，由于目前采用的热处理过程是在平衡态下进行，这将面临N从材料中逃逸的问题，降低了N的有效掺杂效率。针对上面的问题我们开展了以下几方面的工作：. （1）利用第一原理研究了N掺杂对CuAlO2结构以及光学特性的影响。研究表明由于Cu-3d态和N-2p态之间具有较强的杂化效应以及Cu-3p态在导带中下移，导致N掺杂后CuAlO2 (CuAlO2:N)的带隙变小。由于氮掺杂在禁带中引入了杂质能级，导致CuAlO2:N的吸收系数在整个光谱范围内都大于未掺杂的CuAlO2。本结果将进一步加深对CuAlO2:N的光学和结构特性的认识。. （2）利用第一原理计算研究了氮掺杂浓度对CuAlO2电子结构的影响规律。发现随着掺杂浓度的增加，材料体系的形成能有增加趋势，说明稳定性有所下降；但是体系的形成能仍然小于零，说明体系仍处于热力学稳定状态。随着氮掺杂浓度的增加，CuAlO2能带结构发生明显的变化且带隙随掺杂浓度的增加而减小。由于氮掺杂在禁带中形成受主态，说明氮掺杂有利于提高薄膜的空穴浓度，这对获得高空穴浓度的p型CuAlO2材料具有很好的参考意义。. （3）利用在c面蓝宝石衬底上制备了MgZnO薄膜研究了退火压强对薄膜结构以及光电特性的影响。研究发现随着热处理氧分压的增加，热处理后的薄膜中氧含量随之增加，光致发光谱中位于2.27eV附近与氧空位相关的发光峰变弱，而位于2.28eV附近与间隙氧有关的发光峰有增强趋势，薄膜导电类型由n型转变为p型。说明通过适当增加热处理气氛压强可以阻止薄膜中元素由于高温热处理而从薄膜中逃逸。本方法同样适用于其他材料的热处理工艺过程，而且实验处理方法简单便捷。. 本项目结果对获得高空穴浓度、低电阻率的p型CuAlO2薄膜具有重要的参考价值，为进一步实现高质量CuAlO2基蓝光发光二极管打下坚实基础。